基于联合仿真的某型顶置武器站稳定精度研究*

邓 威，毛保全，王 新，张洪深

（1.装甲兵工程学院，北京 100072；2.装甲兵技术学院，长春 130117；3.解放军71217部队，山东 莱阳 265200）

基于联合仿真的某型顶置武器站稳定精度研究*

邓 威1，毛保全1，王 新2，张洪深3

（1.装甲兵工程学院，北京 100072；2.装甲兵技术学院，长春 130117；3.解放军71217部队，山东 莱阳 265200）

稳定精度是炮控系统最重要的性能指标，利用联合仿真技术对某型顶置武器站炮控系统的稳定精度进行研究。基于多体动力学仿真软件RecurDyn建立了顶置武器站发射动力学模型、履带式底盘模型、不同等级路面模型以及PID控制系统模型，并分别对其进行了初步验证。在此基础上，对不同等级路面的武器站炮控系统的稳定精度进行仿真计算，仿真结果表明：该型顶置武器站的稳定精度随路面等级的提高而恶化。

顶置武器站，稳定精度，联合仿真，RecurDyn

0 引言

顶置武器站是可配备多种武器和不同组合的火力控制系统，可搭载于不同军用车辆及平台的模块化武器系统［1］。目前国内研发武器站已完成了演示验证，并于“十二五”期间开展定型试验。某型顶置武器站采用了双轴稳定技术，大大提高了武器行进间射击稳定性。其中，稳定精度是反映炮控系统性能的最重要指标，对其进行测试是武器站定型试验中必不可少的环节。

根据国军标规定，炮控系统稳定精度的常规测试方法是采用CCD记录车辆行进过程中炮身的偏移量［2］；为了克服测试条件的限制以及室外环境的不确定影响因素，也有相当一部分的研究单位将武器系统安装在振动台上，利用多自由度振动台模拟底盘及路面传递到上装武器系统的振动激励，从而实现室内的停止间稳定精度测试［3］；为了提高测量精度，还有采用动力调谐陀螺仪的测量方法［4］。以上几种基于实物、半实物的测试方法虽然能在不同程度上反映真实物理环境，但往往受实际条件限制，而且测试过程繁琐，测量精度受测试系统自身精度及安装条件影响大，容易带来不确定误差。

基于多体动力学的联合仿真技术能够在虚拟环境下对包含机械部分及控制部分的武器站整车系统进行联合仿真，通过修改不同参数即可方便地研究不同结构、不同工况下的整车动力学特性。对武器站进行稳定精度的联合仿真，不仅可弥补实物试验的不足，而且有效降低试验成本、缩短武器站研发周期。

本文利用多体动力学仿真软件RecurDyn实现武器站整车系统的联合仿真，所构建的虚拟样机模型主要包括武器站模型、底盘及路面模型、控制模型，以下分别对其进行介绍。

1 构建武器站模型

某型顶置武器站主要由30 mm链式自动炮、缓冲簧、摇架、支撑架、耳轴、托架、弹箱、观瞄装置等部件组成［5］，如图1所示。

其中，自动机在摇架与支撑架的共同限制下进行往复运动，摇架则通过左右对称的耳轴轴承相对于托架进行俯仰运动，左耳轴末端固定有弹箱，右耳轴则固定有观瞄装置。高低机安装于左托架内，通过齿轮与摇架齿弧的啮合控制着整个起落部分的俯仰角度；托架安装于炮床上，炮床与上座圈固连，底盘顶端与下座圈固连，上下座圈通过滚珠实现相对转动；方向机安装于炮床上，通过齿轮与炮床外齿弧的啮合控制着整个回转部分的方位角度。武器站拓扑图如图2所示。

为了简化发射过程，假设武器站在发射过程中只受到两方面的作用力：火药燃气压力及缓冲器弹簧力。火药燃气压力通过实测数据导入RecurDyn进行拟合得出，如图3所示。

缓冲器弹簧力则采用平动弹簧阻尼（TSDA）模型：

其中，K为缓冲簧刚度，X为缓冲簧长度，X0为缓冲簧初始长度，C为缓冲簧阻尼系数。

最终构建的武器站动力学模型如图4所示。

对上述模型进行发射动力学的仿真验证，射击工况为：武器站固定于地面，射角射向均为0°，单发射击。仿真数据及试验数据的对比如表1所示。

由上表对比可知，仿真数据相对于试验数据的误差小于10%，说明所构建的武器站发射动力学模型具有较高的精度，满足工程分析的要求。

2 构建履带底盘及路面模型

本文利用RecurDyn的高速履带模块（Track-HM）建立底盘系统模型。所建模型主要包括车身及两侧对称的履带系统，每侧履带系统安装有主动轮、负重轮、平衡肘、托带轮、诱导轮及履带板等，其数量及拓扑关系如表2所示：

其中，为了模拟扭杆式悬挂系统的力学特性，在平衡肘与车体之间旋转副的基础上赋予旋转弹簧阻尼模型（RSDA），其力矩计算公式为：

式中，K为扭杆刚度系数，C为减振器阻尼系数（等效为扭杆阻尼系数），θ为平衡肘扭转角度。

最终建立的底盘模型如图5所示。

为了下一步进行不同路面间稳定精度的仿真分析，需要构建路面模型。根据国际标准ISO/DIS8608及国家标准GB7031-86规定，典型道路可根据路面不平度的不同进行8个等级的划分［6］。

根据以上分级，采用采用谐波叠加法构建出8个等级的道路模型，如图6所示。

至此，底盘及路面模型构建完毕。为了验证履带底盘悬挂系统的有效性，将武器站模型作为子系统导入底盘模型中合并成武器站整车发射动力学模型，如图7所示。

对该模型进行静平衡分析，车体质心的垂向位置变化如下页图8所示。

由仿真曲线可知，由于自身重力，整车模型自然下落到地面，然后在底盘悬挂系统的作用下车体出现上下运动且幅值不断衰减的过程，最后约在5 s后趋于平衡静止状态，表明所建履带底盘的悬挂系统模型是有效的。

3 建立控制系统模型

某型顶置武器站炮控系统主要包括伺服传动机构、位置传感器、速度陀螺仪、高低向功率放大器、高低向直流电机、水平向功率放大器以及水平向直流电机等。当武器站进行行进间射击时，由于路面的起伏形成振动激励，身管的空间指向发生偏移，在稳定工况的作用下，炮控系统通过位置传感器及角速度陀螺仪产生与偏移量成比例的电信号，并经由相敏整流器、积分器、综合放大器等控制器的处理形成系统控制信号，并输送到功率放大器中进行脉宽调制处理，直接驱动高低机/方向机输出扭矩（高低机作用于摇架齿弧，方向机齿轮作用于上座圈外齿弧），使得身管朝相反的方向转动，最终实现对身管偏移角度的补偿，其作用机理如图9所示（以高低向为例）［7］：

在以上稳定工况的作用机理中，综合控制信号的形成属于典型的PID控制，其原理如图10所示：

即根据系统的偏差信号，利用比例、积分、微分等手段计算出综合的控制量。控制量的计算由以下式子得出：

其中，e（t）为偏差值，r（t）为给定值，y（t）为实际输出值，u（t）为综合控制量，KP为PID比例系数，KI为PID积分系数，KD为PID微分系数。

本文利用RecurDyn中的CoLink模块建立控制系统模型。在之前建立的武器站整车模型的基础上，创建系统输入输出变量以关联机械系统及控制系统：输出变量为耳轴中心处标记点的角速度；输入变量为摇架-耳轴旋转副的单方向力矩，如图11所示：

最终在CoLink中建立的控制系统框图如图12所示：

为对所建控制系统进行验证，进行正弦信号跟踪响应。在原有控制框图的基础上，添加斜坡信号，并输入表达式ωref=5sin（1.2πt）°/s，得出正弦信号跟踪响应曲线及响应误差曲线，如图13、图14所示：

由联合仿真结果可知，在理想条件下，控制系统能实现对输入信号的跟踪响应，且响应误差幅值小于0.4 mil，满足武器站火控系统稳定精度的要求。

4 不同路面下稳定精度仿真算例

根据国军标规定，炮控系统稳定精度由以下公式计算得出：

其中，α为稳定精度统计值，αi为各个样本的偏差值，为样本的算术平均值，n为样本个数。

本节在上述武器站整车模型及控制系统模型的基础上进行稳定精度的联合仿真，仿真工况为，武器站俯仰部分初始角度及目标角度均为0°，整车依次行驶在8个等级典型路面上，车速为2级（约为7.514 m/s），仿真时间为20 s。仿真结果如图15所示（由于在H级路面下车体已经发生颠覆，因此不在此列出）。

由于车体从静止加速到规定车速时武器站俯仰部分会出现较大幅度的抖动，不属于路面激励对稳定精度的影响范畴，因此取8 s后的稳定精度作为统计数据，计算结果如下（单位：mil）：

由表4中计算结果可知，武器站在现有炮控系统的作用下，稳定精度并不是一成不变的，而是随着路面不平度的增加而恶化，基本上按照每级别增加1倍的规律。此外，从仿真结果来看，要想武器站行进间炮控系统的稳定精度继续达到0.4 mil的战技指标要求，行驶的路面尽量选择2级以下。

5 结束语

由于炮控系统稳定精度的传统试验方法具有条件限制大、误差大等不足，本文基于联合仿真技术对某型顶置武器站整车系统行使在不同等级路面上的稳定精度进行仿真研究，初步探索了路面激励对稳定精度的影响规律，为下一步精确模型、进行其他工况下的仿真分析打下基础，同时也为该型顶置武器站定型试验提供理论参考。

［1］毛保全.车载武器技术概论［M］.北京：国防工业出版社，2009：22-23.

［2］GJB6361-2008.装甲车辆火控系统定型试验规程［S］.北京：总装备部，2008.

［3］李静，王军政，汪首坤，等.基于双靶面的火炮动态稳定精度测试方法［J］.仪器仪表学报，2010，21（10）:2328-2332.

［4］罗云，陈维义，李路.两栖装甲突击车炮控系统稳定精度检测系统研究［J］.火炮发射与控制学报，2012，27（3）: 84-87.

［5］徐礼.顶置武器站发射动力学仿真与结构参数优化研究［D］.北京：装甲兵工程学院，2013.

［6］张立军，何辉.车辆行驶动力学理论及应用［M］.北京：国防工业出版社，2011.

［7］朱竞夫，赵碧君，王钦钊.现代坦克火控系统［M］.北京：国防工业出版社，2003.

Research on Stabilization Accuracy of Overhead Weapon Station Based on Co-simulation

DENG Wei1，MAO Bao-quan1，WANG Xin2，ZHANG Hong-shen3
（1.Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China；2.Armor Technique Institute of PLA，Changchun 130117，China；3.Troops 71217 of PLA，Laiyang 265200，China）

Stabilization accuracy is the most important performance index of gun control system. Based on the technology of co-simulation，some Overhead Weapon Station（OWS）’s stabilization accuracy is studied.OWS’s launch dynamics model，crawler chasses model，road model and PID control model are set up and validated by use of RecurDyn.Finally，OWS’s stabilization accuracy in different level road are simulated.Simulation result shows that the stabilization accuracy of the OWS worsen by increase of road level.

OWS，stabilization accuracy，co-simulation，RecurDyn

TJ203

A

1002-0640（2015）09-0080-05

2014-08-25

2014-09-08

军队装备预研基金资助项目（2011ZB09）

邓 威（1986- ），男，广东湛江人，博士生。研究方向：车载武器系统集成与动态仿真。